课程设计报告
课程明称电子技术
题目DC-DC升压稳压变换器设计
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2014年1月6日
目录
摘要 (1)
一．设计目的 (1)
二．设计要求 (1)
三．开关电源简介 (1)
四．DC/DC变换器原理 (2)
4.1Booster型DC/DC变换器 (2)
4.2Buck型DC/DC变换器 (3)
4.3Buck. Booster型变换器 (4)
4.4Cuk型变换器 (5)
4.5pwm工作方式 (5)
4.6PFM工作方式 (6)
4.7PSM调制模式 (6)
五.外围元器件的选择 (6)
5.1电容的取值 (7)
5.2电感的取值 (7)
5.3运放的选择 (8)
5.4功率输出级的设计 (8)
六．方案分析 (9)
七．电路设计 (10)
7.1复合管准互补推免电路的实现 (10)
7.2整体电路原理图 (10)
7.3对电路各部分的定性说明及定量计算 (11)
7.4直流稳压源 (11)
八．保护电路 (12)
九.安装调试 (13)
十．心得体会 (13)
十一.参考文献 (13)
摘要
本文设计了一款升压式DC／DC变换器，输入电压范围为2．7V到5．5V，适用锂离子电池供电的便携式设备，可输出高达18V的稳定输出电压，负载电流最大达200mA。电路采用电压控制型PWM方式调制，内建频率为1．SMHz的振荡器。采用同步整流技术提高系统效率。同时对升压型变换器的模型建立进行了研究，设计了过温关断、欠压锁定等保护电路来提高系统可靠性。此升压式DC／DC变换器的子模块由带隙基准电压源、误差放大器、PWM比较器、钳位电路、振荡器、系统补偿电路等单元电路组成。
一、设计目的
根据设计要求，完成DC-DC升压稳压变换器的设计。
进一步加强对模拟电子技术知识的理解和对Protel软件的应用。
学习DC-DC升压稳压变换器的设计方法与小型电子线路系统的
安装调试方法。
二、设计要求
内容要求：设计一个将110V升高到220V的DC-DC变换器。三．开关电源简介
电源一般按习惯可以分为线性稳压电源(LDO)和开关稳压电源。开关电源就是利用现代电力电子技术与微电子技术，控制半导体功率开关器件开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它代表着稳压电源的发展方向，现己成为DC／DC稳压电源的主流产品。它通过用电子线路组成开关式(方波)电路来达到对电能的转换。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80％以上，比普通线性稳压电源提高近一倍。
开关电源的发展经历了几个时期管稳压电源时期(1950年代)i晶体管稳压电源时期(1960年代．1970年代中期)、低性能稳压电源时期(1970年代．1980年代末期)、高性能的开关稳压电源时期(1990年代～至今)。由于开关电源功耗小、效率高(可高达70％．95％)、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、不需要大容量滤波电容等优点，而线性电源效率低(一般低于50％)，并且电压转换形式单一(只有降压)等缺点，如今开关电源已逐渐取代线性电源。当然线性电源因为其低噪声、纹波小的优点，在一些电子测量仪器、代线性电源AD／DA和取样保持电路中，线性电源仍然无法被开关电源取代。开关稳压电源与线性稳压电源相比，其优点是小型、轻量、效率高。它的这种优点适应电子设备的轻、薄、短、小与节能的要求，其应用范围迅速扩大。目前它已成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选。驱动集成电源市场蓬勃发展的主要原因有两个：首先是在提高性能的基础上，所有电子设备中使用的硅组件正不断增
加；其次是消费性电子产品大量数字化的结果。
四．DC／DC变换器原理分析
开关电源DC／DC变换器是将一种直流电压变换成另一种固定的或者可调的直流电压，也称为直流．直流变换器，它利用无源元件电感和电容的能量储存特性，从输入电压获得能量，暂时把能量以磁场的形式存储在电感中，或者以电场的形式存储在电容之中，然后将其变换到负载，实现DC／DC变换便携式电子产品通常需要多种电压，但是这些产品只能由一组电池供电，因此所需要的各种直流电压必须通过DC／DC变换器供给。根据输入电路与输出电路的关系，DC／DC变换器可分为几种类型，降压型(Bulk)，升压型(Boost)和升压．降压型(Boost-Bulk)和反相型(Cul【)DC／DC变换器。下面分别介绍这几种变换器的工作原理。
4．1 Boost型DC／DC变换器
下图是Boost型DC／DC变换器拓扑结构，SW是受控制电路决定的周期性导通的开关， L为升压电感，D为续流二极管，C为滤波电容。
+
图2．I Boost变换器拓扑结构
开关导通时，输入电压加载在储能电感的两端，能量被储存在电感中而不传递给输出端，根据电感方程，有：
由此可以推出：
设输入电压‰保持不变，则有：
其中五岫为开关SW导通前流过电感L的电流，由此可以看出，开关导通后，电感上的电流线性上升，开关上的电流也呈线性上升，在t=-t。时刻，当开关导通的状态终止时，电感电流达到最大值：
开关断开时，电感电压反向，该电压和电源电压叠加后，通过二极管D和负载电容C加载到负载两端，电感储存的能量通过二极管传递给输出端，同时直流源也给负载提供能量。则有：
在t。时刻，流过电感L的电流为：
当t-tl=to行时，流过电感的电流最小，其值为：
将ILmin的表达式带入ILm戤的表达式中，得：
该式经整理后可得：
由上式可以看出，该电路的输出电压％高于输入电压‰，所以将其称为升
压型DC／DC变换器。工作过程中，开关的导通时间ton或关断时间ton都可以改变
变换器的输出电压。
4.2 Buck型DC／DC变换器
下图为Buck型DC／DC变换器结构示意图。SW是受控制电路决定的周期性导通的开关，L和C分别为电感和滤波电容，D为整流二极管。
与前文中对Boost变换器的讨论相类似，根据稳态时电感电流的净增加量和净减少量要相等，得到Buck型变换器输入输出关系：
在电感电流连续的条件下：
在电感电流不连续的条件下：
其中，其中D为开关SW的导通占空比j D2为二极管的导通占空比。
4.2 Buck．Boost型变换器
Buck．Boost变换器是降压．升压混合电路，其输出电压可以小于输入电压，也可以大于输入电压，且输出电压极性与输入电压相反。图为Buck-Boost电路的拓扑结构。
+
在电感电流连续的条件下，得到：
在电感电流不连续的条件下，得到：
其中D为开关SW的导通占空比，D'为二极管的导通占空比。由上式可知，当D<0．5 时，Buck．Boost电路是降压电路；当D>0．5时，Buck．Boost电路是升压电路：
4.3Cuk型变换器
Cuk变换器其实是由Boost和Buck两种变换器组合而成。下图所示是一个Cuk 变换器。它可以拆分成上面两种电路。Cuk型电路的最大优点是工作在连续工作模式下时，它的Boost部分提供一个非常平滑的输入电流。Buck部分提供平滑的输出电流。
与前文讨论类似，在电感电流连续的条件下，得到：
在电感电流不连续的条件下，则有：
由上式可知，当D<0．5时，Cuk电路是降压电路；当D>0．5时，Cuk电路是
升压电路。Buck-Boost电路和Cuk电路都是升降压型混合电路，故有很多共同特